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Th´ eor` eme de Bernoulli

Dans le document Bilan en m´ecanique des fluides. (Page 22-57)

Pour un ´ecoulement parfait, homog`ene, incompressible, stationnaire, sur un tube de champ constitu´e de lignes de courant tr`es proches,

pe+µgze+1

2µve2=ps+µgzs+1 2µvs2

Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Th´eor`eme de l’´energie m´ecanique.

Explicitons les termes : DmeveSesvsSs

eMs−eMe= 12vs2+gzs+...−12ve2−gze−...

PForce ext´erieure non conservative=PForce pression=peveSe−pSvsSs

PForce int´erieure non conservative= 0absence de viscosit´e.

Finalement, en supposantl’´ecoulement incompressible et homog`eneµse=µ: Dm(1

Th´ eor` eme de Bernoulli.

Pour un ´ecoulement parfait, homog`ene, incompressible, stationnaire, sur un tube de champ constitu´e de lignes de courant tr`es proches,

pe+µgze+1

2µve2=ps+µgzs+1 2µvs2

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Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Plan

1 Introduction aux bilans en m´ecanique des fluides.

2 Bilan de mati`ere.

3 Bilan d’´energie, point de vue thermodynamique.

4 Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique.

Th´eor`eme de l’´energie m´ecanique.

Applications.

5 Bilan de quantit´e de mouvement.

6 Bilan de moment cin´etique.

Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Effet Venturi (dans un ´ecoulement parfait).

Figure–Effet Venturi.

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Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Effet Venturi et trompe `a eau.

Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Effet Venturi sur le D´etroit de Gibraltar.

Figure–Effet Venturi et D´etroit de Gibraltar (colonnes d’Hercule).

Mˆeme effet dans les couloirs du m´etro.

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Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Effet Venturi et a´eration des pyramides.

Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Tube de Pitot.

Figure–Tube de Pitot.

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Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Effet Venturi et tube de Pitot.

Figure–Tube de Pitot.

Figure–Sch´ema du tube de Pitot.

Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Th´eor`eme de Torricelli.

Application du th´eor`eme ´energ´etiquepour calculer une vitesse.

Figure–Th´eor`eme de Torricelli.

D´emonstration 1 : par Bernoulli.

D´emonstration 2 : par application du th´eor`eme ´energ´etique.

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Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Effet Magnus (directement li´e `a l’effet Venturi).

Figure–Effet Magnus.

Figure–Effet Magnus, simulation num´erique.

Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Retour sur la portance de l’aile d’avion.

Figure–Ecoulement sym´etrique autour de l’aile d’avion : pas de portance.

Figure–Ecoulement asym´etrique autour de l’aile d’avion : portance.

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Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Retour sur la portance de l’aile d’avion.

Figure–Ecoulement asym´etrique autour de l’aile d’avion asym´etrique (NACA) : portance.

Figure–Ecoulement asym´etrique autour de l’aile d’avion asym´etrique (NACA) : portance.

Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Figure–Effet de d´epression dans le sillage de l’avion.

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Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Probl`eme connexe : la voile des navires, les ailerons des formule 1 et les foilers.

Figure–Foiler.

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Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Quand peut on ”raisonnablement” consid´erer le fluide comme parfait ?

Figure–Ecoulement `a sillage turbulent derri`ere une aile d’avion.

Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique. Applications.

Retour sur les pertes de charges.

pe+µgze+1

2µve2=ps+µgzs+1 2µvs2

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Bilan de quantit´e de mouvement.

Plan

1 Introduction aux bilans en m´ecanique des fluides.

2 Bilan de mati`ere.

3 Bilan d’´energie, point de vue thermodynamique.

4 Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique.

5 Bilan de quantit´e de mouvement.

6 Bilan de moment cin´etique.

Bilan de quantit´e de mouvement. Th´eor`eme de la r´esultante dynamique.

Plan

1 Introduction aux bilans en m´ecanique des fluides.

2 Bilan de mati`ere.

3 Bilan d’´energie, point de vue thermodynamique.

4 Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique.

5 Bilan de quantit´e de mouvement.

Th´eor`eme de la r´esultante dynamique.

Applications.

Retour sur l’´ecoulement de Poiseuille.

6 Bilan de moment cin´etique.

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Bilan de quantit´e de mouvement. Th´eor`eme de la r´esultante dynamique.

Bilan de quantit´e de mouvement. Applications.

Plan

1 Introduction aux bilans en m´ecanique des fluides.

2 Bilan de mati`ere.

3 Bilan d’´energie, point de vue thermodynamique.

4 Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique.

5 Bilan de quantit´e de mouvement.

Th´eor`eme de la r´esultante dynamique.

Applications.

Retour sur l’´ecoulement de Poiseuille.

6 Bilan de moment cin´etique.

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Bilan de quantit´e de mouvement. Applications.

Calcul de la force exerc´ee par l’eau sur un tube coud´ee.

On s’int´eresse `a une canalisation de section S constante dans le plan horizontal faisant un coude

`

a 90: l’entr´ee est suivant l’axe x et la sortie suivant l’axe y. L’´ecoulement de l’eau dans le tuyau est suppos´ee parfait, homog`ene et incompressible, stationnaire dans le r´ef´erentiel du laboratoire suppos´e galil´een. On noteve le module de la vitesse `a l’entr´ee (uniforme sur la section du fluide) etvsle module de la vitesse `a la sortie. De mˆeme,pe etps d´esigne la pression dans le fluide respectivement `a l’entr´ee et `a la sortie.

1 Montrer queve=vs 2 En d´eduire quepe=ps

3 Calculer la force qu’exerce l’eau sur le coude. Commenter

Bilan de quantit´e de mouvement. Applications.

Probl`eme connexe : les turbines Pelton.

Figure–Turbine Pelton.

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Bilan de quantit´e de mouvement. Applications.

Probl`eme connexe : les turbines `a tuy`ere et ´eoliennes (mˆeme probl`eme dans un tube de champ).

Bilan de quantit´e de mouvement. Applications.

Probl`eme connexe : les inverseurs de pouss´ee.

Figure–Les inverseurs de pouss´ee.

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Bilan de quantit´e de mouvement. Applications.

Probl`eme connexe essentiels : force de pouss´ee d’une fus´ee.

Bilan de quantit´e de mouvement. Retour sur l’´ecoulement de Poiseuille.

Plan

1 Introduction aux bilans en m´ecanique des fluides.

2 Bilan de mati`ere.

3 Bilan d’´energie, point de vue thermodynamique.

4 Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique.

5 Bilan de quantit´e de mouvement.

Th´eor`eme de la r´esultante dynamique.

Applications.

Retour sur l’´ecoulement de Poiseuille.

6 Bilan de moment cin´etique.

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Bilan de quantit´e de mouvement. Retour sur l’´ecoulement de Poiseuille.

On ´etudie l’´ecoulement laminaire, permanent et incompressible d’un liquide visqueux dans une conduite cylindrique de faible rayon R et de longueur L, appel´e ´ecoulement de Poiseuille.

1 Quelle doit ˆetre la vitesse du fluide pour que l’´ecoulement de l’eau reste laminaire dans un tube de rayon 0,5mm ?

2 Justifier qu’il est raisonnable de supposer~v=vx(r)~ux.

3 Montrer que la force qu’exerce le tuyau sur le fluide est~F=ηdvdrx)(r=R).2πRL~ux 4 On souhaite faire un bilan sur le cylindre de fluide compris en r=0 et r, de longueur L,

montrer alors que

(P(0)−P(L)).πr2+ηdvx

dr )(r).2πrL== 0

5 Ecrire la condition d’adh´erence du fluide sur la paroi

6 En d´eduirevx(r).

7 Calculer le d´ebit volumique et la r´esistance hydraulique d´efinit parP(0)−P(L) =Rhydro.Dv

Bilan de moment cin´etique.

Plan

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2 Bilan de mati`ere.

3 Bilan d’´energie, point de vue thermodynamique.

4 Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique.

5 Bilan de quantit´e de mouvement.

6 Bilan de moment cin´etique.

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Bilan de moment cin´etique. Th´eor`eme du moment cin´etique par rapport `a un axe fixe.

Plan

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2 Bilan de mati`ere.

3 Bilan d’´energie, point de vue thermodynamique.

4 Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique.

5 Bilan de quantit´e de mouvement.

6 Bilan de moment cin´etique.

Th´eor`eme du moment cin´etique par rapport `a un axe fixe.

Applications.

Bilan de moment cin´etique. Th´eor`eme du moment cin´etique par rapport `a un axe fixe.

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Bilan de moment cin´etique. Applications.

Plan

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2 Bilan de mati`ere.

3 Bilan d’´energie, point de vue thermodynamique.

4 Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique.

5 Bilan de quantit´e de mouvement.

6 Bilan de moment cin´etique.

Th´eor`eme du moment cin´etique par rapport `a un axe fixe.

Applications.

Bilan de moment cin´etique. Applications.

Figure–Le tourniquet hydraulique.

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Bilan de moment cin´etique. Applications.

Un tourniquet hydraulique poss`ede deux bras identiques OA et OB de longueur R et de section S.

Chaque bras est termin´e par un tube de mˆeme section S faisant avec le bras un angleαse terminant respectivement en A’ et B’, de longueur n´egligeable<<R.

L’eau, suppos´ee incompressible, est inject´ee dans le tourniquet hydraulique par le tube centrale de section 2S avec un d´ebit volumiqueDv constant.

On note J le moment d’inertie par rapport `a l’axe Oz du tourniquet On notera−→

Ω = Ω(t)−→uzle vecteur rotation du tourniquet.

1 Calculer la vitesse d´ejection du fluide en A’ dans le r´ef´erentiel du laboratoire sachant que la vitesse d’ejection du fluide par rapport au tourniquet est not´ev−→u.

2 Calculer v en foncion deDv

3 Montrer que le moment cin´etique sur Oz du syst`eme (qui n’est pas en r´egime stationnaire) est DLDtz =Jdt +µDv(R2Ω−Rvsin(α)

4 Trouver l’´equation dont Ω(t) est solution. La r´esoudre sachant que le syst`eme est initialement immobile.

Bilan de moment cin´etique. Applications.

1 Introduction aux bilans en m´ecanique des fluides.

2 Bilan de mati`ere.

3 Bilan d’´energie, point de vue thermodynamique.

Premier principe.

Second principe.

Application : d´etente de Joule Kelvin.

4 Bilan d’´energie, point de vue m´ecanique.

Th´eor`eme de l’´energie m´ecanique.

Applications.

5 Bilan de quantit´e de mouvement.

Th´eor`eme de la r´esultante dynamique.

Applications.

Retour sur l’´ecoulement de Poiseuille.

6 Bilan de moment cin´etique.

Th´eor`eme du moment cin´etique par rapport `a un axe fixe.

Applications.

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